Aféierung
Inspiréiert vum Erfolleg vun den elektroneschen integréierte Schaltungen (EICs) huet sech de Beräich vun de photoneschen integréierte Schaltungen (PICs) zënter senger Grënnung am Joer 1969 weiderentwéckelt. Am Géigesaz zu EICs bleift d'Entwécklung vun enger universeller Plattform, déi fäeg ass, verschidden photonesch Uwendungen z'ënnerstëtzen, awer eng grouss Erausfuerderung. Dësen Artikel ënnersicht déi nei Lithium Niobat op Isolator (LNOI) Technologie, déi sech séier zu enger villverspriechender Léisung fir PICs vun der nächster Generatioun entwéckelt huet.
Den Opstig vun der LNOI-Technologie
Lithiumniobat (LN) gëtt zënter laangem als Schlësselmaterial fir photonesch Uwendungen unerkannt. Allerdéngs gouf säi ganzt Potenzial eréischt mat der Entwécklung vun Dënnschicht-LNOI a fortgeschrattene Fabrikatiounstechniken ausgeschöpft. Fuerscher hunn erfollegräich ultra-niddrege Verloscht-Ridge-Wellenleiter a Mikroresonatoren mat ultra-héijen Q-Wäert op LNOI-Plattformen demonstréiert [1], wat e bedeitende Sprong an der integréierter Photonik markéiert.
Schlësselvirdeeler vun der LNOI-Technologie
- Ultra-niddregen optesche Verloscht(sou niddreg wéi 0,01 dB/cm)
- Héichqualitativ nanophotonesch Strukturen
- Ënnerstëtzung fir verschidden netlinear optesch Prozesser
- Integréiert elektrooptesch (EO) Ofstëmmebarkeet
Netlinear optesch Prozesser op LNOI
Héichleistungs-Nanophotonesch Strukturen, déi op der LNOI-Plattform hiergestallt ginn, erméiglechen d'Realiséierung vu wichtegen netlinearen optesche Prozesser mat bemierkenswäerter Effizienz a minimaler Pompelleistung. Zu de bewisenen Prozesser gehéieren:
- Zweet Harmonesch Generatioun (SHG)
- Sumfrequenzgeneratioun (SFG)
- Differenzfrequenzgeneratioun (DFG)
- Parametresch Downconversion (PDC)
- Véierwellenmixung (FWM)
Verschidde Phasenanpassungsschemae goufen implementéiert fir dës Prozesser ze optimiséieren, wouduerch LNOI als eng héich villfälteg netlinear optesch Plattform etabléiert gouf.
Elektrooptesch ofstëmmenbar integréiert Geräter
D'LNOI-Technologie huet och d'Entwécklung vun enger breeder Palette vun aktiven a passiven ofstëmmenbare photoneschen Apparater erméiglecht, wéi zum Beispill:
- Héichgeschwindegkeetsoptesch Modulatoren
- Rekonfiguréierbar multifunktionell PICs
- Ofstëmmebar Frequenzkämmen
- Mikro-optomechanesch Federen
Dës Apparater notzen déi intrinsesch EO-Eegeschafte vum Lithiumniobat fir eng präzis, héichgeschwindeg Kontroll vu Liichtsignaler z'erreechen.
Praktesch Uwendungen vun der LNOI Photonik
LNOI-baséiert PICe ginn elo an enger wuessender Zuel vu prakteschen Uwendungen adoptéiert, dorënner:
- Mikrowellen-op-optesch Konverter
- Optesch Sensoren
- Spektrometer op Chip
- Optesch Frequenzkämmen
- Fortgeschratt Telekommunikatiounssystemer
Dës Uwendungen demonstréieren de Potenzial vun LNOI, fir d'Leeschtung vu Bulk-optesche Komponenten z'erreechen, wärend gläichzäiteg skalierbar, energieeffizient Léisungen duerch photolithographesch Fabrikatioun ugebuede ginn.
Aktuell Erausfuerderungen a zukünfteg Richtungen
Trotz sengem villverspriechenden Fortschrëtt steet d'LNOI-Technologie virun e puer techneschen Hürden:
a) Weider Reduktioun vum optesche Verloscht
De Verloscht vum Stroumwellenleiter (0,01 dB/cm) ass ëmmer nach eng Gréisstenuerdnung méi héich wéi d'Absorptiounsgrenz vum Material. Fortschrëtter an den Ionenschneidtechniken an der Nanofabrikatioun si gebraucht fir d'Uewerflächenrauheet an d'Absorptiounsdefekter ze reduzéieren.
b) Verbessert Kontroll vun der Wellenleitergeometrie
D'Erméiglechen vun Wellenleiter ënner 700 nm a Kopplungslücken ënner 2 μm, ouni d'Widderhuelbarkeet ze beeinträchtigen oder de Propagatiounsverloscht ze erhéijen, ass entscheedend fir eng méi héich Integratiounsdicht.
c) Verbesserung vun der Kopplereiffizienz
Wärend konisch Faseren a Moduskonverter hëllefen, eng héich Koppleeffizienz z'erreechen, kënnen Antireflexiounsbeschichtungen d'Reflexiounen op der Grenzfläche Loft a Material weider reduzéieren.
d) Entwécklung vu Polarisatiounskomponenten mat geréngem Verloscht
Polarisatiounsonempfindlech photonesch Apparater op LNOI si essentiell a verlaangen Komponenten, déi der Leeschtung vu Fräiraum-Polarisatoren entspriechen.
e) Integratioun vun der Kontrollelektronik
Déi effektiv Integratioun vu groussflächeger Kontrollelektronik ouni d'optesch Leeschtung ze verschlechteren ass eng Schlësselfuerschungsrichtung.
f) Fortgeschratt Phasenanpassung an Dispersiounstechnik
Zouverlässeg Domänenmusterung mat Submikron-Opléisung ass essentiell fir netlinear Optik, awer bleift eng onreif Technologie op der LNOI-Plattform.
g) Kompensatioun fir Fabrikatiounsfehler
Techniken fir Phasenverschiebungen ze reduzéieren, déi duerch Ëmweltännerungen oder Fabrikatiounsvarianzen verursaacht ginn, si essentiell fir den Asaz an der Praxis.
h) Effizient Multi-Chip-Kopplung
Et ass néideg, d'Integratiounsgrenze vun enger effizienter Kopplung tëscht verschiddene LNOI-Chips ze iwwerschreiden, fir d'Integratioun vu Single-Wafers ze skaléieren.
Monolithesch Integratioun vun aktiven a passive Komponenten
Eng Kär-Erausfuerderung fir LNOI PICs ass déi kosteneffektiv monolithesch Integratioun vun aktiven a passive Komponenten, wéi zum Beispill:
- Laseren
- Detektoren
- Netlinear Wellelängtenkonverter
- Modulatoren
- Multiplexer/Demultiplexer
Aktuell Strategien ëmfaassen:
a) Ionendopierung vun LNOI:
Selektiv Dotierung vun aktiven Ionen an designéiert Regiounen kann zu Liichtquellen um Chip féieren.
b) Bindung an heterogen Integratioun:
D'Verbindung vu virfabrizéierte passive LNOI PICs mat dotiéierten LNOI-Schichten oder III-V-Laseren bitt en alternativen Wee.
c) Hybrid aktiv/passiv LNOI Waferfabrikatioun:
Eng innovativ Approche besteet doran, dotiert an ondotéiert LN-Wafere virum Ionenschneiden ze verbannen, wat zu LNOI-Wafere mat souwuel aktiven wéi och passive Regiounen féiert.
Figur 1illustréiert de Konzept vun hybride integréierten aktiv/passive PICs, wou een eenzege lithographesche Prozess eng nahtlos Ausriichtung an Integratioun vu béiden Zorte vu Komponenten erméiglecht.
Integratioun vu Photodetektoren
D'Integratioun vu Photodetekteren an LNOI-baséiert PICs ass en anere wichtege Schrëtt a Richtung voll funktionell Systemer. Zwee Haaptmethoden ginn ënnersicht:
a) Heterogen Integratioun:
Hallefleiter-Nanostrukture kënnen transient mat LNOI-Wellenleiter gekoppelt ginn. Verbesserunge vun der Detektiounseffizienz a Skalierbarkeet sinn awer nach ëmmer néideg.
b) Netlinear Wellelängtenkonversioun:
Déi netlinear Eegeschafte vum LN erlaben d'Frequenzkonversioun bannent Wellenleiter, wouduerch d'Benotzung vu Standard-Silicium-Fotodetektoren onofhängeg vun der Betribswellelängt méiglech ass.
Conclusioun
Déi séier Entwécklung vun der LNOI-Technologie bréngt d'Industrie méi no un eng universell PIC-Plattform, déi eng breet Palette vun Uwendungen dénge kann. Andeems se existent Erausfuerderungen adresséieren an Innovatiounen an der monolithescher an Detektorintegratioun virubréngen, hunn LNOI-baséiert PICs de Potenzial, Beräicher wéi Telekommunikatioun, Quanteninformatioun a Sensorik ze revolutionéieren.
LNOI verspriecht, déi laangjäreg Visioun vu skalierbare PICs z'erfëllen, andeems se dem Erfolleg an dem Impakt vun den EICs entspriechen. Weider Fuerschungs- an Entwécklungsaktivitéiten - wéi déi vun der Nanjing Photonics Process Platform an der XiaoyaoTech Design Platform - wäerten entscheedend sinn fir d'Zukunft vun der integréierter Photonik ze gestalten an nei Méiglechkeeten an allen Technologieberäicher ze schafen.
Zäitpunkt vun der Verëffentlechung: 18. Juli 2025